木質(zhì)素廣泛存在于秸稈等農(nóng)林廢棄物中，是地球上最豐富的可再生芳香碳資源。木質(zhì)素復雜的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)導致天然降解困難，成為制約其高值化利用的關鍵瓶頸。在眾多的木質(zhì)素處理方法中，微生物降解因其環(huán)境友好、條件溫和等優(yōu)勢備受關注。與單一菌株相比，復合菌系可通過協(xié)同代謝和功能互補，形成較為完整的降解途徑網(wǎng)絡，從而展現(xiàn)出更高的降解效率。

中國科學院沈陽應用生態(tài)研究所“環(huán)境污染過程與效應”創(chuàng)新組群徐明愷研究員團隊，針對秸稈木質(zhì)素難生物降解的問題，通過“自上而下“的合成功能微生物組策略，從秸稈堆肥和秸稈還田土壤等環(huán)境樣品中富集到三個木質(zhì)素高效降解菌系。運用高通量測序、宏基因組和代謝組等多組學聯(lián)合分析的方法，系統(tǒng)解析了菌系群落組成、功能基因和代謝物的動態(tài)變化規(guī)律，揭示了其協(xié)同降解木質(zhì)素的機制。研究發(fā)現(xiàn)，三個菌系均以假單胞菌屬為核心菌屬，而無色桿菌屬和鞘氨醇桿菌屬在不同來源的菌系中亦具有一定優(yōu)勢地位。菌系R0在低溫(15℃)條件下展現(xiàn)出最強的木質(zhì)素降解能力，其碳水化合物活性酶中，輔助活性酶(AA)家族基因豐度最高。宏基因組和代謝組聯(lián)合分析揭示氨基苯甲酸代謝和苯甲酸代謝是菌系的核心降解途徑，原兒茶酸是降解過程的關鍵中間產(chǎn)物。研究結(jié)果為構(gòu)建木質(zhì)素高效人工降解菌系及優(yōu)化木質(zhì)素生物轉(zhuǎn)化工藝提供了重要理論支持。

研究成果近日以“Screening of microbial consortium with high efficiency of lignin-degrading and its synergistic metabolic mechanism”為題，在線發(fā)表于Frontiers in Microbiology期刊。中國科學院沈陽應用生態(tài)研究所博士研究生茹金闖和高級工程師江志陽為共同第一作者，徐明愷研究員為通訊作者。該研究得到了中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項(XDC0110301)、國家重點研發(fā)計劃(2023YFD150050401、2024YFD150130401)以及遼寧省興遼英才-領軍人才計劃(XLYC2402049)等項目的資助。

圖1 三個菌系的16S數(shù)據(jù)結(jié)果分析。(A)三個菌系在第3天和第6天的物種豐度柱狀圖、(B)微生物菌系的Lefse分析、(C)微生物網(wǎng)絡圖。

圖2 代謝組學結(jié)果分析。(A)差異代謝物的PCA分析、(B)差異代謝物火山圖、(C)差異代謝物KEGG注釋代謝通路匯總。